1、第5章 薄壁空间结构l拱结构概念复习：拱结构概念复习：l（1）按结构支承方式分类）按结构支承方式分类 l（2）受力特点）受力特点 l（3）水平推力四种平衡方式）水平推力四种平衡方式 l（4）拱结构的支撑系统）拱结构的支撑系统 l（5）拱结构的实际应用）拱结构的实际应用 l（6）拱结构的布置方式）拱结构的布置方式l拱结构概念复习：拱结构概念复习：l（1 1）按结构支承方式分类）按结构支承方式分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱三种；有钢筋三铰拱、两铰拱和无铰拱三种；有钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构、砖石砌体结构；拱身截面有格构混凝土结构、钢结构、胶合木结构、砖石砌体结构；拱身截面有格构式和实腹式，还
2、有等截面式和变截面式。式和实腹式，还有等截面式和变截面式。l（2 2）受力特点：）受力特点：拱身截面弯矩小，剪力小，轴力大，合理拱轴为一拱身截面弯矩小，剪力小，轴力大，合理拱轴为一抛物线，存在较大的水平推力。抛物线，存在较大的水平推力。l（3 3）水平推力四种平衡方式）水平推力四种平衡方式：拉杆承担，刚性水平结构拉杆承担，刚性水平结构“承担承担”，竖向承重结构承担，基础承担上。竖向承重结构承担，基础承担上。l（4 4）拱结构的支撑系统：）拱结构的支撑系统：为了保证拱在轴线平面外的受压稳定性，为了保证拱在轴线平面外的受压稳定性，须设置横向支撑，为了传递作用于山墙上的风荷载，还应设置纵向支须设置横
3、向支撑，为了传递作用于山墙上的风荷载，还应设置纵向支撑。撑。l（5 5）拱结构的实际应用：）拱结构的实际应用：建筑中多用于屋面结构。建筑中多用于屋面结构。l（6 6）拱结构的布置：）拱结构的布置：并列拱或交叉拱结构并列拱或交叉拱结构l多层建筑结构核心概念复习多层建筑结构核心概念复习l1.砌体砌体 砌块材料用灰浆粘接砌筑而成的结构体。砌块材料用灰浆粘接砌筑而成的结构体。l2.砌体结构砌体结构 用砌体作为竖向承重结构的结构体系。用砌体作为竖向承重结构的结构体系。l3.砌体结构的应用砌体结构的应用 由于砌块具有良好的耐火、保温、隔声和抗腐蚀由于砌块具有良好的耐火、保温、隔声和抗腐蚀性能，且具有较好的
4、大气稳定性。它还可以就地取材，生产和施工工性能，且具有较好的大气稳定性。它还可以就地取材，生产和施工工艺简单，工程造价低。尽管砌体结构也具有自重大、强度低、抗震性艺简单，工程造价低。尽管砌体结构也具有自重大、强度低、抗震性能差的弱点，砌体结构在我国依然有着非常广泛的应用。能差的弱点，砌体结构在我国依然有着非常广泛的应用。l4.提高砌体结构承载能力和抗震性能的技术措施提高砌体结构承载能力和抗震性能的技术措施 l1）在灰缝中配置钢筋，可以增强砌体本身的强度和变形在灰缝中配置钢筋，可以增强砌体本身的强度和变形能力。能力。l2 2）设置圈梁和构造柱。）设置圈梁和构造柱。l5.砌体结构的常用结构承重方案
5、砌体结构的常用结构承重方案 横墙承重横墙承重l框架结构框架结构l框架结构框架结构 由竖向的柱和水平横梁所组成，梁柱之间的连由竖向的柱和水平横梁所组成，梁柱之间的连接通常为刚性连接。柱与基础间的连接亦为刚性连接。接通常为刚性连接。柱与基础间的连接亦为刚性连接。l框架结构各个构件的作用框架结构各个构件的作用 框架结构的梁和柱子主要形成框架结构的梁和柱子主要形成平面刚度，主要是横向刚度，楼板在形成空间刚度的作平面刚度，主要是横向刚度，楼板在形成空间刚度的作用不可忽视。用不可忽视。l框架结构的分类框架结构的分类 分为钢框架和钢筋混凝土框架。钢框架分为钢框架和钢筋混凝土框架。钢框架结构自重轻、抗震性能好
6、、施工速度快等优点。由于用钢结构自重轻、抗震性能好、施工速度快等优点。由于用钢量大、造价高、耐水和耐腐蚀性能差等缺点，目前我国应量大、造价高、耐水和耐腐蚀性能差等缺点，目前我国应用较少。钢筋混凝土框架结构造价低、取材方便、耐久性用较少。钢筋混凝土框架结构造价低、取材方便、耐久性好、可模性等优点，在我国应用非常普遍。好、可模性等优点，在我国应用非常普遍。l框架结构的承重方案框架结构的承重方案 承重框架的布置方案有横向框架承承重框架的布置方案有横向框架承重方案、纵向框架承重方案和纵横向框架混合承重方案等重方案、纵向框架承重方案和纵横向框架混合承重方案等几种。几种。l框架结构的受力特点框架结构的受力
7、特点 l1）框架梁的内力为跨中的正弯矩，两端支座截面的负弯）框架梁的内力为跨中的正弯矩，两端支座截面的负弯矩及支座剪力。矩及支座剪力。l2）柱子则应考虑上端截面与下端截面的弯矩、剪力和轴）柱子则应考虑上端截面与下端截面的弯矩、剪力和轴力。一般来说，顶层柱子为大偏心受压，柱子上端为控制力。一般来说，顶层柱子为大偏心受压，柱子上端为控制截面，低层柱子为小偏心受压，柱子下端为控制截面。截面，低层柱子为小偏心受压，柱子下端为控制截面。l高层建筑核心内容复习高层建筑核心内容复习l1.与多层建筑结构相比，高层建筑结构的计算具有哪些特殊性？与多层建筑结构相比，高层建筑结构的计算具有哪些特殊性？l2.高层建筑
8、的力学特征和结构体系最大的特点是什么？高层建筑的力学特征和结构体系最大的特点是什么？以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求；以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求；概念设计是重要，尤其对于抗震问题；概念设计是重要，尤其对于抗震问题；多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。l3.高层建筑的常见结构形式主要包括哪些？适应条件怎样？高层建筑的常见结构形式主要包括哪些？适应条件怎样？框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构；框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构；筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等l4.
9、何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在30层以下的高层建筑层以下的高层建筑中应用特别广泛？中应用特别广泛？l在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体。因高层建筑中的水因高层建筑中的水平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。l框架框架-剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承受约受约2030%，剪力墙承受，剪力墙承受7080%。剪力墙长度按每建筑平方米。剪力墙长度按
10、每建筑平方米50mm的标的标准设计。准设计。l5.框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？l应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。l一、薄壳结构的概念一、薄壳结构的概念l壳体结构壳体结构是一种是一种曲面的空间薄壁结构曲面的空间薄壁结构。壳体的截面高度称为壳体厚度，。壳体的截面高度称为壳体厚度，根据壳体厚度是否有变化，有根据壳体厚度是否有变化，有等厚度壳和变厚度壳之分。
11、等厚度壳和变厚度壳之分。l当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳，反之称为厚壳或中当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳，反之称为厚壳或中厚度壳。厚度壳。l一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。曲面的曲面的空间的空间的薄壁的薄壁的薄壳结构薄壳结构曲面外表曲面外表薄壁截面薄壁截面空间受力空间受力l受力分析l在线状杆系结构中，梁主要受弯受剪，而拱变为受压，因此，拱结构比梁结构受力更合理、在相同的受力条件必然更节省材料。l在面状结构中，平面状楼板主要受弯，而薄壳结构则变为受双向轴力及受剪。这是薄壳结构与拱结构相似之处。同时，薄
12、壳结构比拱式结构更加优越，因为拱结构只有在某种确定荷载的作用下才有可能找到处于无弯矩状态的合理拱轴线，而薄壳结构由于受双向薄膜轴力和薄膜剪力的共同作用，可以在较大的范围内承受多种分布荷载而不致产生弯曲。l薄壳结构空间整体工作性能良好，内力比较均匀，是一种强度高、刚度大、材料省的结构型式。l因此薄壳常用于大跨度的屋盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库等。l自然界中有十分丰富的壳体结构实例，如蛋壳、蚌壳、螺蛳壳、蜗牛壳、脑壳及植物的果壳或种子等。在日常生活中也有此类空间薄壁结构的应用，如碗、罐、簸箕、安全帽、轮船、飞机等。它们都是以最少的材料构成最大的使用空间，并具足够的强度和刚度。单独式单独式“壳壳
13、”l下面，请大家看几个代表薄壳结构优越的结构受力特性的下面，请大家看几个代表薄壳结构优越的结构受力特性的建筑案例，相信在座的一定会从中的到感悟。建筑案例，相信在座的一定会从中的到感悟。柏林爱乐音乐厅柏林爱乐音乐厅组合式组合式“壳壳”组合式组合式“壳壳”飞机采用的飞机采用的“壳壳”l二、薄壳结构的曲面形式二、薄壳结构的曲面形式l 薄壳结构中曲面的几何形式，按其形成的特点可以分为下列几类：l 1旋转曲面旋转l由一条平面曲线绕着某一给定的直线旋转一周所形成的曲面称为旋转曲面。以旋转曲面为中曲面的壳体称为旋转壳。那条转动的曲线称为母线，而那条定直线则称为旋转轴。由于母线形状的不同，旋转壳又可分为球形壳
14、，椭球壳、抛物球壳、双曲球壳、圆柱壳、锥形壳等，如图5.1.4所示。l2平移曲面平移l 由一条竖向曲线作母线沿着另一条竖向曲线(导线)平行移动所形成的曲面称为平移曲面。在房屋建筑中常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，所形成的壳体称为椭圆抛物面壳和双曲抛物面壳。l椭圆抛物面是由一竖向抛物线作母线沿另一凸向与之相同的抛物线作导线平行移动所形成的，如图515a)所示。因为这种曲面与水平面的截交线为椭圆线(图515b)，故称为椭圆抛物面。l双曲抛物面是由一竖向抛物线作母线沿另一凸向与之相反的抛物线作导线平行移动所形成的，如图516a)所示。因为这种曲面与水平面的截交线为双曲线(图516b)，故称之
15、为双曲抛物面。母线导线l3 3直纹曲面直纹曲面l由一段直线(母线)的两端分别沿二固定曲线(导线)移动所形成的曲面叫直纹曲面。房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形曲面、劈锥曲面、扭曲面等。柱形曲面可分为圆柱面、椭圆柱面、抛物柱面等，如图517所示。劈锥曲面是由一段直线一端沿抛物线(或圆弧)另一端沿直线、与指向平面平行移动所形成的曲面，如图518所示。扭曲面是由一段直线作母线沿两根相互倾斜但又不相交的直导线平行移动所形成的曲面，如图519a)所示。它可以看成是直母线cd沿直导线ab、cd平行移动所形成。扭曲面也可以看成是双曲抛物面的一部分，因双曲抛物面也是直纹曲面，如图519b)，从沿直纹方向截取一部分
16、，如图519c)中的abcd即为扭曲面。直纹曲面壳体的特点是施工时模板制作方便，在工程中应用较多。母线导线l一下为薄壳结构的施工内容，不再多讲。一下为薄壳结构的施工内容，不再多讲。l 四、薄壳结构的施工四、薄壳结构的施工l1 1薄壳结构的施工方法薄壳结构的施工方法l施工方法对建筑物的造价有很大的影响，有时甚至会成为施工方法对建筑物的造价有很大的影响，有时甚至会成为确定建筑结构型式的决定因素。薄壳结构的施工主要有以确定建筑结构型式的决定因素。薄壳结构的施工主要有以下几种方法：下几种方法：l(1)(1)现浇混凝土壳体现浇混凝土壳体l现浇混凝土壳体整体性最好，但支架与模板用量也最大。现浇混凝土壳体整
17、体性最好，但支架与模板用量也最大。施工时必须现场满堂搭设脚手架，且曲面模板制作复杂，施工时必须现场满堂搭设脚手架，且曲面模板制作复杂，既费材料又费工时。因壳体太薄，无法用更有效的振捣设既费材料又费工时。因壳体太薄，无法用更有效的振捣设备，不易保证混凝土的浇筑质量。现浇壳板的厚度，一般备，不易保证混凝土的浇筑质量。现浇壳板的厚度，一般比预制壳板厚、耗料多、自重大。近年来，由于定型钢模比预制壳板厚、耗料多、自重大。近年来，由于定型钢模板的推广，以及现浇混凝土施工工艺的不断完善，现浇混板的推广，以及现浇混凝土施工工艺的不断完善，现浇混凝土壳体正得到越来越多的应用。凝土壳体正得到越来越多的应用。l(2
18、)预制单元、高空装配成整体壳体预制单元、高空装配成整体壳体l把壳体划分成若干单元预制后在工地吊装、拼合、固定。因只需在接缝处搭脚手架浇筑混凝土，接缝模板量少且为单曲，较易制作，现场高空作业量大为减少，工期较短，且施工不受季节影响。装配整体式壳体的整体抗震性能，比现浇混凝土壳体差。单元划分时规格不宜过多，堆放、搬运及吊装时需特别注意壳板稳定，因此一般宜增设壳板边肋，这将增加一些材料用量，但同时壳板的厚度则可比无肋壳体做的薄些。l(3)地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升l此法的主要优点是可减少壳体的高空作业量及大部分脚手架。但组合装配后吊装，常需采用特殊的钢构
19、件临时加固。整体提升时，所需设备起重量较大。l(4)装配整体式叠合壳体装配整体式叠合壳体l利用钢丝网水泥薄板作模板，其上浇筑钢筋混凝土现浇层，由钢丝网水泥薄板和现浇钢筋混凝土层形成整体共同工作。此法的优点是既减少了模板用量，又具有较好的整体性。为保证叠合面的可靠工作，一般应在垂直于接缝方向预留插筋，如图5.1.11所示，或在预制构件上做好结合榫。当叠合面上仅传递压力及不大的剪力时，则只要保证叠合面有一定的粗糙度即可。l(5)采用柔模喷涂成壳采用柔模喷涂成壳l柔模是用棉麻织物(如帆布、麻袋布等)、草苇、篾席、荆竹、藤芭或钢丝网等抗拉性能好的柔韧材料作模板，在其上涂沫或喷射砂浆或混凝土，待其结硬后
20、，柔模同时成为壳体的配筋，以抵抗拉力。棉麻织物也可在砂浆或混凝土达到强度后，揭下洗净重复使用。l薄壳结构教学内容复习：l一、薄壳结构的概念l二、薄壳结构受力特点和用途l三、薄壳结构的曲面形式种类l复习思考题复习思考题l一、薄壳结构的概念：一种曲面形式的空间特征的薄壁结构。l二、薄壳结构受力特点和用途：l 薄壳结构由于受两个方向轴力和剪力的共同作用，可以在较大的范围内承受多种分布荷载而不致产生弯曲。l 薄壳结构空间整体工作性能良好，内力比较均匀，是一种强度高、刚度大、材料省、既经济又合理的结构型式。薄壳常用于大跨度的屋盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库等。l三、薄壳结构的曲面形式种类l1旋转曲面
21、2平移曲面 3直纹曲面组合式组合式“壳壳”l论证作业论证作业8 8（每（每1010人一份）人一份）l1.与多层建筑结构相比，高层建筑结构的计算具有哪些特殊性？与多层建筑结构相比，高层建筑结构的计算具有哪些特殊性？l2.高层建筑的力学特征和结构体系最大的特点是什么？高层建筑的力学特征和结构体系最大的特点是什么？以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求；以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求；概念设计是重要，尤其对于抗震问题；概念设计是重要，尤其对于抗震问题；多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。l3.高层建筑的常见结构形式主
22、要包括哪些？适应条件怎样？高层建筑的常见结构形式主要包括哪些？适应条件怎样？框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构；框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构；筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等l4.何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在30层以下的高层建筑层以下的高层建筑中应用特别广泛？中应用特别广泛？l在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体。因高层建筑中的水因高层建筑中的水平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。l
23、框架框架-剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承受约受约2030%，剪力墙承受，剪力墙承受7080%。剪力墙长度按每建筑平方米。剪力墙长度按每建筑平方米50mm的标的标准设计。准设计。l5.框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？l应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。l圆顶结构是既
24、古老而近代仍在大量应用的一种结构型式。它适用于平面为圆形的建筑，如作为杂技院、剧院、展览馆、天文馆等的屋盖。目前已建成的大跨度钢筋混凝土圆顶，直径已达200多米。l圆顶结构穹拱式的造型及独特的受力特点（四周传力），使它既满足了圆形平面建筑的功能要求，又具有很好的力学性能。圆顶的覆盖跨度可以很大而其厚度却很薄，壳身内的应力通常很小，钢筋配置及壳身厚度均按构造要求来确定，因此，圆顶结构的材料用量很省。l如我国解放后建成的第一座天文馆北京天文馆(图5.2.1)，其顶盖即是直径为25m的半球形圆顶结构，壳体厚度只有60mm，混凝土利用喷射法施工，每平方米结构自重只有200kg左右。l l一、圆顶的结构
25、组成及结构型式一、圆顶的结构组成及结构型式l 圆顶结构由圆顶结构由壳身、支座环、下部支承壳身、支座环、下部支承构件构件三部分组成。如图三部分组成。如图5.2.25.2.2所示。所示。圆顶结构圆顶结构壳身壳身支座环支座环下部支承构件下部支承构件l1.1.壳身结构壳身结构l 按壳身表面构造不同，圆顶的壳身结构可以设计成按壳身表面构造不同，圆顶的壳身结构可以设计成平平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶等，滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶等，如图如图5.2.35.2.3所示。一般所示。一般以平滑圆顶以平滑圆顶(图图5.2.3a)5.2.3a)最为常见。最为常见。l当建筑上由于采光要求需将圆顶表面划分成若干区格时，当
26、建筑上由于采光要求需将圆顶表面划分成若干区格时，或当壳体承受集中荷裁时，或当壳身厚度太小、不能保证或当壳体承受集中荷裁时，或当壳身厚度太小、不能保证壳体的稳定性时，或采用装配整体式结构时，壳体的稳定性时，或采用装配整体式结构时，可采用肋形可采用肋形圆顶圆顶(图图5.2.3b)5.2.3b)。l l肋形圆顶由经向及环向肋系与壳面板所组成，当圆顶跨度不大时亦可仅设经向肋。当建筑平面为正多边形时，可采用多面圆顶结构(图5.2.3c)。l 多面圆顶结构是由数个拱形薄壳相交而成，与平滑圆顶相比，多面圆顶的支座距离较大；与肋形圆顶相比，多面圆顶可节省材料用量，且自重较轻。有时为了建筑造型上的要求，也可将多
27、面圆顶稍作修改(图5.2.3d)。l 图5.2.3圆顶的壳身结构当有通风采光要求时，一般可在圆顶顶部开设圆形孔洞。壳体根据顶部是否开孔，可分为闭口壳和开口壳。l2.2.支座环支座环l 支座环是圆顶结构中很重要的组成部分。它是圆顶结构保持几何不变的保证，其功能就和拱式结构中的拉杆一样，可有效地阻止圆顶在竖向荷载作用下的裂缝开展及破坏，保证壳体基本上处于受压的工作状态，并实现结构的空间平衡。l 支座环的截面可采用图5.2.4所示的形式，它可以采用普通钢筋混凝土梁，也可采用预应力混凝土梁。当圆顶不是支承在墙上而是支承在柱上时，则支座环在承受拉力的同时，还将承受弯矩，剪力及扭矩的共同作用。l3 3支承
28、结构支承结构l圆顶的下部支承结构一般有以下几种：l(1)(1)圆顶结构通过支座环支承在房圆顶结构通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上屋的竖向承重构件上(如砖墙、钢筋混凝土柱等)，如图5.2.5a)所示。这时经向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受经向推力的竖向分力。这种结构型式的优点是受力明确，构造简单。但当圆顶的跨度较大时，由于经向推力很大，要求支座环的尺寸很大。同时这样的支座环，其表现力也不够丰富活跃。图5.2.5 圆顶的支承结构l(2)(2)圆顶结构支承在圆顶结构支承在斜柱或斜拱斜柱或斜拱上。上。通过壳体四周沿着切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给基础,如图5.2.5b
29、)所示；或通过沿壳缘切线方向的单式或复式斜拱，把经向推力集中起来传给基础，如图5.2.5c)所示。l在平面上，斜柱、斜拱可按正多边形布置，以便与建筑平面相协调；在立面上，斜柱、斜拱可与建筑围护及门窗重合布置，也可暴露在建筑物的外面，以取得较好的建筑立面效果。这种结构方案清新、明朗，即表现了结构的力量与作用，又极富装饰性。但倾斜的柱脚或拱脚将使基础受到水平推力的作用。c)支承在斜拱上图5.2.5 圆顶的支承结构b)支承在斜柱上l(3)(3)圆顶结构支承在框架上，圆顶结构支承在框架上，如图5.2.5e)所示。利用圆顶下四周的围圆顶下四周的围廊或圆顶周围的低层附属建筑的框架结构，把水平推力传给基础。
30、廊或圆顶周围的低层附属建筑的框架结构，把水平推力传给基础。这时，框架结构必须具有足够的刚度，以保证壳身的稳定性。l(4)(4)圆顶结构直接落地并支承在基础上。圆顶结构直接落地并支承在基础上。落地的圆顶就象落地拱一样，落地的圆顶就象落地拱一样，经向推力直接传给基础。经向推力直接传给基础。若球壳边缘全部落地，则基础同时作为受拉支座环梁。若是割球壳，只有几个脚延伸人地,如图525f)所示，则基础必须能够承受水平推力，或在各基础之间设拉杆以平衡该水平力。f)支承在基础上e)支承在框架上l二、圆顶的受力特点二、圆顶的受力特点l1圆顶的破坏图形l图顶的破坏图形如图5.2.6所示。球壳在均在均布竖向荷载作用
31、下，在布竖向荷载作用下，在上部承受环向压力，而上部承受环向压力，而在下部承受环向拉力。在下部承受环向拉力。由于砖砌体或混凝土的坑拉强度极低，故往往在圆顶的下部沿经向出现多条裂缝。环向受拉环向受拉而开裂而开裂l三、圆顶的结构构造三、圆顶的结构构造l1 1圆顶结构壳板厚度圆顶结构壳板厚度一般由构造要求确定，建议可取圆顶半径的1600。对于现浇钢筋混凝土圆顶，壳板厚度不应小于40mm；对于装配整体式圆顶，壳板厚度不应小于30mm。l2 2圆顶结构壳板配筋圆顶结构壳板配筋 在壳板内的受压区域及主拉应力小于混凝土抗拉强度的受拉区域内，可按不低于0.20的最小配筋率配置构造钢筋，其直经不小于4mm，间距不
32、超过250mm。在主拉应力大于混凝土抗拉强度的区域，应按计算配筋，主拉应力应全部由钢筋承担，钢筋间距不大于150mm。对于厚度不大于60mm的壳体，在弯矩较小的区域内，可采用单层配筋，钢筋一般布置在板厚的中间。超过上述厚度或当壳体受有冲击及振动荷载作用时，应采用双层配筋。l l3 3支座环构造支座环构造 由于支座环对壳板边缘变形的约束作用，壳板的边缘附近将会产生经向的局部弯矩，如图5.2.11a)所示。设计时应将壳板靠近边缘部分局部加厚，并配置双层钢筋，如图5.2.11b)所示。边缘加厚部分须做成曲线过渡。加厚范围一般不小于壳体直经的112110，增加的厚度不小于壳体中间部分的厚度。加厚区域内
33、的钢筋直经为41Omm，间距不大于200mm。须注意上层钢筋受拉，应保证其有足够的锚固长度。l4.4.支座环梁可以为普通钢筋混凝支座环梁可以为普通钢筋混凝土梁亦可为预应力混凝土梁。土梁亦可为预应力混凝土梁。当采用非预应力配筋时，其受力钢筋应采用焊接接头，并保证其安全可靠。对于大跨度圆顶结构，支座环梁宜配置预应力钢筋，其预应力值以能使环内应力接近于壳体边缘处按薄膜理论算得的环向应力为宜。如无法连续配置预应力钢筋，可将环梁分成若干弧段，分别对称施加预应力，预应力锚头设置在环梁外部突出处。如图5.2.12所示。l5 5当建筑上由于通风采光等要求需在壳体顶部开设孔洞时，应在孑当建筑上由于通风采光等要求
34、需在壳体顶部开设孔洞时，应在孑L L边设圆环加强，此环梁常称内环梁。边设圆环加强，此环梁常称内环梁。内环梁与壳板的连接分为三种情形：中心连接(图5.2.13 a)、内环梁向下的偏心连接(图5.2.13b)和内环梁向上的偏心连接(图5.2.13c)。在壳体均布荷载及沿孔边环形均布线荷载作用下，如荷载均向下，则内环梁的轴向力为压力，无须额外配置钢筋。但在孔边的壳板内将产生局部的经向弯矩，应布置双层受弯钢筋。l6 6为了方便施工，可采用装配整为了方便施工，可采用装配整体式圆顶结构。体式圆顶结构。这时，预制单元的划分一般可以沿经向和环向同时切割，把圆顶划分成若干块梯形带肋曲面板，各单元的边线为弧线(图
35、5.2.14a)；为方便各单元预制，也可划分成由梯形平板所组成，各单元的边线为直线(图5.2.14b)；当施工吊装设备起重量较大，而壳体跨度不太大(小于30m)时，也可仅沿经向切割，把圆顶分割成若干块长扇形带肋板(图5.2.14c)。在吊装过程中，必要时可在构件下加设安装用临时拉杆。l 四、圆顶的工程实例l1新疆某机械厂金工车间l2罗马小体育宫l罗马奥林匹克小体育宫(图5.2.16)，为钢筋混凝土网状扁球壳结构。球壳直径为5913m，葵花瓣似的网肋，把力传到斜柱顶，再由明显顺着壳底边缘切线方向倾斜的斜柱，把推力传入基础。从建筑外部看，Y形支承构件承上启下，波浪起伏，结构清新、明朗、欢快、优美，
36、极富有表现力。从建筑内部看，结构构件的布置协调而有韵律，形成了一幅绚丽的艺术图案，极富于装饰性。该结构采用装配整体式叠合结构。预制钢丝网水泥菱形构件既作为现浇壳身的模板，又与壳身现浇层共同工作。施工时，起重机安装在中央天窗处，十分合理。罗马小体育宫实景屋顶屋顶屋顶l3德国法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅l德国法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅主要部分为一个球形建筑物，系正六边形割球壳，见图5.2.17。该大厅可供10004000名观众使用，可举行音乐会、体育表演、电影放映、工厂集会等各种活动。球壳顶部的孑L洞是排气用的，同时也用作烟道。大厅内有很多技术设备，如舞台间、吸音格栅、放映室和广播室等，
37、并有庞大的管道系统进行空气调节，在地下室设有餐厅、厨房、联谊室、化妆室和盥洗室及技术设备用房。l球壳的半径为50m，矢高为25m。底平面为正六边形，外接圆直径为886m，如图5.2.18所示。l该球壳结构支承在六个点上，支承点之间的球壳边缘作成拱券形，有一个边缘桁架作为球壳切口的支承，其跨距为433m。球壳剖面如图5.2.19所示。l壳体的厚度为130mm。这是根据在壳体的每一点都能承受20kN的集中荷载这一要求得出的。壳体沿着切口边缘不断地加强，在边缘拱券最高点处厚度增加到250mm，在支座端处厚度增加到600mm，如图5.2.19所示。l在支座上部的壳体部分会产生拉应力，沿主拉应力轨迹线方
38、向布置了一些预应力钢筋。如图5.2.20所示。l l论证思考题（每论证思考题（每10人完成人完成1份）份）l1.1.圆顶薄壳结构的组成包括哪些？圆顶薄壳结构的组成包括哪些？包括：壳身、支座环、下部包括：壳身、支座环、下部支承构件支承构件l2.2.支承结构包括哪些种？支承结构包括哪些种？1 1）房屋的竖向承重构件）房屋的竖向承重构件 2 2）斜柱或）斜柱或斜拱斜拱 3 3）框架）框架 4 4）基础）基础l3.3.圆顶的受力特点？圆顶的受力特点？球壳在竖向均布荷载作用下，其上部承受球壳在竖向均布荷载作用下，其上部承受环向压力，而在下部承受环向拉力。为了克服下部环向受拉的缺陷，环向压力，而在下部承受
39、环向拉力。为了克服下部环向受拉的缺陷，常需要加设支座环。常需要加设支座环。l4.4.在圆顶薄壳结构中为什么常常会加设支座环，试从圆顶在圆顶薄壳结构中为什么常常会加设支座环，试从圆顶薄壳结构的受力特点方面加以论证分析。薄壳结构的受力特点方面加以论证分析。l4.在圆顶薄壳结构中为什么常常会加设支座环，试从圆顶薄壳结构的受力特点方面加以论证分析。l答：圆顶薄壳结构通常在均布竖向荷载作用下，答：圆顶薄壳结构通常在均布竖向荷载作用下，在上部承受环向压力，在上部承受环向压力，而在下部承受环向拉力。而在下部承受环向拉力。由于由于混凝土的坑拉强度极低，如果不做特殊处理，混凝土的坑拉强度极低，如果不做特殊处理，
40、往往在圆顶的下部沿经向出现多条裂缝。往往在圆顶的下部沿经向出现多条裂缝。正正因为因为如此，在圆顶薄壳结构下部常常设计专门用于抗如此，在圆顶薄壳结构下部常常设计专门用于抗拉的支座环。拉的支座环。它是圆顶结构保持几何不变的保证，它是圆顶结构保持几何不变的保证，其可有效地阻止圆顶在竖向荷载作用下的裂缝开其可有效地阻止圆顶在竖向荷载作用下的裂缝开展及破坏，保证壳体基本上处于受压的工作状态，展及破坏，保证壳体基本上处于受压的工作状态，并实现结构的空间平衡。并实现结构的空间平衡。l筒壳亦称柱面壳，它是单向有曲率的薄壳，是零高斯曲率壳。由于它的几何形状简单，模板制作方便，易于施工，因而在工业与民用建筑中得到
41、了广泛的应用。l一、简壳的结构组成l筒壳由壳身、侧边构件及横隔三部分所组成(图531)。两个横隔之间的距离称为筒壳的跨度，以l1表示；两个侧边构件之间的距离称为筒壳的波长，以l2表示。沿跨度l1方向称为筒壳的纵向，沿波长l2方向则称为筒壳的横向。l筒壳壳身横截面的边线可为圆弧形、椭圆形，或其他形状的曲线，一般采用圆弧形较多，它方便施工。l侧边构件与壳身共同工作，整体受力。它一方面作为壳体的受拉区集中布置纵向受拉钢筋，另一方面可提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移及水平位移，并对壳身的内力分布产生影响。常见的侧边构件截面型式如图532所示，其中以图532以)的方案最为经济，图532d)所示的方案则
42、适用于边梁支承在墙或圈梁上的情况，图532e)则适用于小型筒壳。l横隔是筒壳的横向支承，缺少它，壳身的形体就要破坏，这也是筒壳结构与筒拱结构的根本区别。横隔的功能是承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构上去。常见的筒壳横隔型式如图533所示。l图533a)为布置在壳体下面的变高度梁。这种型式一般用于波长不大的壳体上，否则横隔自重过大。为减轻横隔自重，可在梁内开洞。图533b)为拱架。这种横隔的材料消耗量较少，通常用在屋盖竖向荷载基本对称的壳体。图533c)为弧形桁架。当波长较大时，采用这种型式的横隔比较经济。它对于装配整体式及装配式壳体较为适宜。图533d)为刚架。在波长不大的壳体中及带有能
43、承受水平推力的附属建筑物时采用。它增加了建筑物的内部净空尺寸，但用料较多。图533e)为等高度的梁。l这种横隔容易积雪，同时排水沟及屋面处理困难，所以施工复杂且使用不利。但当壳身波长与横隔跨度不一致时，采用这种型式较为合理。l此外，当横向有墙时，可利用墙上的曲线形圈梁作为横隔，以节省材料。l筒壳可以根据建筑平面及剖面的需要做成单波的或多波的，单跨的或多跨的。有时还可做成悬臂的，图534a)为纵向悬挑的筒壳屋盖，图534b)为横向悬挑的筒壳屋盖。l筒壳与筒拱的外形均为筒形，极其相似，常为人所混淆。但两者的力学特性却完全不同，对支承结构的要求与构造处理也就不同。从根本上说，筒拱是单向承荷与传力的平
44、面结构，筒拱沿纵向取出单位长度结构的受力状态即可代表整个结构的受力。而筒壳则是双向承荷与传力的空间结构，筒壳在横向的作用与拱相似，在壳身内产生环向的压力，而在纵向则同时发挥着梁的作用，把上部竖向荷载通过纵向梁的作用传给横隔。因此，筒壳结构是横向拱的作用与纵向梁的作用的综合。根据筒壳结构的跨度l1与波长l2之间比例的不同，其受力状态也有所差异，一般按下列三种情况考虑。l1 1当当l1l1l23l23时，称为长壳。时，称为长壳。l2 2当当l1l1l21l212 2时，称为短壳。时，称为短壳。l3 3当当1/2l11/2l1l23l23时时,称为中长壳。称为中长壳。l四、筒壳结构的工程实例l山西省
45、平遥县棉织厂厂房扩建工程l建于1983年，建筑面积1656m。，采用了柱网为36m12m的锯齿形锥壳屋顶方案。主厂房两侧为各宽5m的平顶附房，如图5315、图5316所示。l壳体为带肋的预制装配式结构。每个预制单元的水平投影为12mxl8m，肋轴线投影间距为18m15m。壳板中部厚40mm，沿周边12m宽的条带范围内逐渐加厚至160mm，与其边缘构件固接。肋断面为70210mm，壳体的前边缘轴线落在拱架的上弦轴线上，同一榀拱架连接前后两个壳边，见图5317。拱架上下弦由竖杆和斜腹杆连接，如图5318所示。上下弦断面为350mm300mm，腹杆断面为150mm200mm。拱架两端落在平顶附房内的
46、双跨双层小框架上，并与之固接。壳板的侧边也与附房平屋盖刚性连接，形成整体。5 双 曲 扁 壳l所谓扁壳，是指薄壳的矢高厂与被其所覆盖的底面最短边a之间的比值f/a15的壳体。因为扁壳的矢高比底面尺寸要小得多，所以扁壳又称微弯平板。从几何构图来看，扁壳曲面实际上仅仅是庞大的普通曲面上的一小块，球面壳、柱面壳、椭圆抛物面壳、双曲抛物面壳等都可作成扁壳。l双曲扁壳因为矢高小，结构所占的空间较小，建筑造型美观，结构分析上可以采用一些简化假定，所以得到了较广泛的应用。l一、双曲扁壳的结构组成l双曲扁壳由壳身及周边竖直的边缘构件所组成，如图51所示。l壳身可以是光面的，也可以是带肋的。壳身曲面可分为等曲率
47、(K1=K2=常数)与不等曲率(K1K2，但均为常数)两种，一般常采用抛物线平移曲面。l边缘构件一般是带拉杆的拱或拱形桁架，跨度较小时也可以用等截面或变截面的薄腹梁，当四周为多柱支承或承重墙支承时也可以柱上的曲梁或墙上的曲线形圈梁作边缘构件。四周的边缘构件在四角交接处应有可靠连接构造措施，使之形成“箍”的作用，以有效地约束壳身的变形。同时边缘构件在其自身平面内应有足够的刚度，否则壳身内将产生很大的附加内力。l三、双曲扁壳的结构构造l双曲扁壳的矢高与底面短边之比不能大于15。但是扁壳在结构上也不能做得过于扁平，要是壳体太扁而壳身又不太薄的话，壳身边缘处的剪应力和弯曲应力均较大，扁壳向平板转化，承
48、载能力下降，材料用量要增加。l当双曲扁壳双向曲率不等时，较大曲率与较小曲率之比以及底面长边与短边之比均不宜超过2。双曲扁壳允许倾斜放置，但壳体底平面的最大倾角不宜超过10。此时应将壳体上的荷载分成与底平面垂直和平行的两个分量。l现浇整体式双曲扁壳的边缘构件常为拱式结构，应保证其端部的可靠连接，以形成整体作用。节点构造可如图555所示。l四、双曲扁壳的工程实例l双曲扁壳是近代常用的一种薄壳结构，在工业建筑与民用建筑中都有所应用。l1北京火车站l北京火车站(图557)中央大厅的顶盖和检票口通廊的顶盖就是采用双曲扁壳。中央大厅顶盖薄壳的平面为35m35m，矢高为7m，壳身厚度仅80mm。壳的中央微微
49、隆起，四周有拱形高窗，采光充分，素雅大方，宽敞宜人。检票口通廊上也一连间隔地用了五个双曲扁壳，中间的平面为215m215m，两侧的四个平面为1 65m165m，矢高为33m，壳身厚度为60mm。边缘构件为两铰拱。因为扁壳是间隔放置的，各个顶盖均可四面采光，使整个通廊显得宽敞明亮。l2北京网球馆l北京网球馆(图558)也是用双曲扁壳作顶盖，平面为42m42m，壳身厚度为90mm。扁壳在中央隆起的结构空间，正好适应网球在空中往返时弧形轨迹的需要，因而整个建筑的空间利用是很充分的。l 谢谢大家！l薄壁空间结构，也称壳体结构。它的厚度比其他尺寸(如跨度)小得多，所以称薄壁。它属于空间受力结构，主要承受
50、曲面内的轴向压力，弯它属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴向压力，弯矩很小。它的受力比较合理，材料强度能得到充分利用。矩很小。它的受力比较合理，材料强度能得到充分利用。薄壳常用于大跨度的屋盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库等。l薄壳结构多采用现浇钢筋混凝土，费模板、费工时。l薄壁空间结构的曲面形式很多。这里讲两种，筒壳和双曲壳。l筒壳一般由壳板、边梁和横隔三部分组成。筒壳的空间工作是由这三部分结构协同完成的。它的跨度在30m以内是有利的。当跨度再大时，宜采用双曲薄壳。l双曲壳特别适用于大空间大跨度的建筑。双曲壳又分为圆顶壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳。目前圆顶的直径已达200多米。圆顶结构可用在大型
